一种石墨相碳化氮?壳聚糖修饰电极及其制备方法和作为工作电极检测原儿茶酸的方法
【专利摘要】本发明公开了一种石墨相碳化氮?壳聚糖修饰电极及其制备方法和作为工作电极检测原儿茶酸的方法；所述制备方法直接加热三聚氰胺合成g?C3N4，通过液相剥离制备g?C3N4纳米片，再利用自组装法依次将g?C3N4和壳聚糖固定到玻碳电极表面，构建了石墨相碳化氮?壳聚糖修饰电极。所述原儿茶酸的检测方法，利用石墨相碳化氮?壳聚糖修饰电极作为工作电极，通过差分脉冲伏安法，绘制响应电流与原儿茶酸浓度之间的线性关系，对环境中的原儿茶酸进行定性和定量分析。本发明所述电极对原儿茶酸具有良好的化学响应，抗干扰能力强，可以用于实际样品的检测。所述检测方法不仅操作简单、耗时短、用量少、成本低，还为酚酸类化合物的检测提供了新的思路。
【专利说明】
一种石墨相碳化氮-壳聚糖修饰电极及其制备方法和作为工 作电极检测原儿茶酸的方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种电极材料及其制备方法和应用，特别涉及一种石墨相碳化氮-壳 聚糖修饰电极及其制备方法和作为工作电极检测原儿茶酸的方法。
【背景技术】
[0002] 如今，随着社会的不断发展，人民生活水平不断提高，癌症的发病率也随着增加， 因此癌症问题越来越受到人们的关注，同时，癌症的预防和治疗也引起了社会大众的热烈 讨论。流行病学研究表明一个国家癌症的发病率与其水果蔬菜的消耗量成正比。酚酸类化 合物是一种含有酚环的有机酸，其遍布于蔬菜、水果以及坚果中，具有良好的抗氧化活性。 原儿茶酸作为一种简单的酚酸，不仅具有良好的氧化性，还可以起到抗炎、降血糖的作用， 在一定程度上保护了人体神经活动，但当摄入量过多时，则易出现精神不振，呼吸急促等中 毒症状。因此对酚酸类物质的检测不容忽视。现在酚酸类化合物的检测方法主要为色谱分 析法，其中又以高效液相色谱法(HPLC)、超高效液相色谱法(UPLC)和固相萃取法(SPE)等为 主。
[0003] 氮化碳是一种可以与金刚石相媲美而在自然界中尚未被发现的新的共价化合物， 其具有低密度、高硬度、耐磨性、化学惰性、生物相容性和特殊的光学和电学性质。自2004年 由Berzelius首次制备至今，石墨相氮化碳(g-C3N4)饱受欢迎，其是一种由碳、氮原子以sp2 杂化轨道组成的六角型呈蜂窝网状结构的平面薄膜，是一种只有〇.325nm厚度的二维材料， 被认为是较为稳定的碳氮同素异形体，可以在酸性或碱性环境中（pH值3-11)稳定存在。g-C3N4可以由高温下煅烧三聚氰胺得至lj，先生成一种亚稳态的中间体蜜白胺(Melam, melamine dimers)，然后再形成密勒胺。g-C3N4具有比表面积大，吸附能力强等优点，可以起到表面改 性，增强对目标物的吸附，促进催化反应发生的作用，被广泛应用于甲醇燃料电池、催化、光 催化。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种石墨相碳化氮_壳聚糖修饰电极的制备方法，所述制 备方法首先利用三氯氰胺合成g_C3N 4,再通过自组装法依次将g_C3N4和壳聚糖(CS)固定到 GCE表面;所述方法操作简单、耗时短、用量少、成本低。
[0005] 本发明的另一目的在于提供通过上述方法制备的一种石墨相碳化氮-壳聚糖修饰 电极。
[0006] 本发明的另一目的还在于提供上述石墨相碳化氮-壳聚糖修饰电极作为工作电极 检测原儿茶酸的方法，所述方法采用石墨相碳化氮-壳聚糖修饰电极对PCA进行定性和定量 分析，该方法不仅操作简单，用量少、灵敏度高并且成本低，干扰少，具有良好的选择性，可 用于实际样品的检测，为实际样品中酚酸类物质的检测提供了新的思路和技术。
[0007] 本发明的目的通过以下技术方案来实现：
[0008] -种石墨相碳化氮-壳聚糖修饰电极的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下 步骤：
[0009] (1)石墨相碳化氮纳米片(g-C3N4)溶液的制备
[0010]将三聚氰胺在520°C的马弗炉中焙烧，冷却后研磨得到石墨相碳化氮粉末;称取石 墨相碳化氮粉末溶于水溶液中，制备浓度为lmg/mL的混合液，超声10h，通过液相剥离制得 g-C3N4纳米片溶液；
[0011] (2)石墨相碳化氮-壳聚糖修饰电极的制备
[0012] 将玻碳电极(GCE)抛光至呈镜面，然后超声洗涤、干燥;取步骤（1)中制备的g-C3N4 纳米片溶液超声分散，滴涂在GCE表面，干燥;再将5yL lwt%的壳聚糖溶液(溶剂为乙酸)滴 涂在GCE表面，干燥，即制得石墨相碳化氮-壳聚糖修饰电极。
[0013] 所述步骤⑴中g-C3N4纳米片溶液浓度为lmg/mL。
[0014] 所述方法步骤⑵中，玻碳电极(GCE)依次用0.3和0.05M1的a-Al203抛光至呈镜面， 每次抛光后先洗去表面污物;再用无水乙醇超声5min，最后用蒸馏水洗净，重复三次，最后 于室温下自然晾干;取步骤（1)中制备的g_C 3N4纳米片溶液超声使其形成均匀分散的悬浊 液，移取4yL g-C3N4溶液滴涂在GCE表面，于室温下晾干，再移取5yL壳聚糖溶液滴涂在GCE表 面，室温晾干，即制得g_C 3N4/CS修饰电极。
[0015] 本发明还涉及由上述制备方法制备的一种石墨相碳化氮-壳聚糖修饰电极。
[0016] 本发明还涉及一种石墨相碳化氮-壳聚糖修饰电极作为工作电极检测原儿茶酸的 方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
[0017] (1)配制标准溶液:取原儿茶酸加入ABS缓冲溶液中溶解，配制不同已知原儿茶酸 浓度的标准溶液;其中原儿茶酸标准溶液浓度为〇_2〇yg/mL;
[0018] (2)建立检测原儿茶酸浓度的标准曲线:采用石墨相碳化氮-壳聚糖修饰电极为工 作电极、饱和甘汞电极用作参比电极、Pt丝电极用作对电极，以步骤（1)中配制的原儿茶酸 标准溶液为电解液，进行差分脉冲伏安扫描，记录响应电流I，将所述的响应电流I与原儿茶 酸标准溶液浓度C绘制I-C工作曲线，或采用线性回归法得到I-C线性回归方程，建立检测原 儿茶酸浓度的标准曲线；
[0019] (3)检测待测样品中原儿茶酸的浓度：取适量的待测样品加入ABS缓冲溶液中溶 解、稀释，稀释后混合液中原儿茶酸的浓度在〇-2〇 yg/mL范围内，按照与步骤(2)相同的方法 检测响应电流I，根据步骤(2)中得到的标准曲线，计算出待测样品中原儿茶酸的含量。
[0020] 所述方法中，步骤（2)的I-C线性回归方程为1(10 -6A)=0.24189c(yg/mL)_ 0.05166，相关系数为0.99967。
[0021]上述原儿茶酸的的检测方法，其线性范围为0-20yg/mL，检测限为0.500yg/mL(S/N =3)〇
[0022]所述方法中，ABS缓冲溶液的pH值为4.5。
[0023]所述方法中，差分脉冲伏安扫描的电势扫描范围为0~0.7V，振幅为50mV，脉冲宽 度为50ms。
[0024]有益效果:本发明所述一种石墨相碳化氮-壳聚糖修饰电极及其制备方法和作为 工作电极检测原儿茶酸的方法，所述制备方法首先利用三氯氰胺合成g_C3N4,再通过自组装 法依次将g_C 3N4和壳聚糖固定到GCE表面;所述方法操作简单、耗时短、用量少、成本低。所述 检测方法采用石墨相碳化氮-壳聚糖修饰电极作为工作电极对PCA进行定性和定量分析，g-C3N4化学性质稳定，石墨相碳化氮-壳聚糖修饰电极导电性良好，可以直接检测溶液中的 PCA，该方法不仅操作简单，用量少、灵敏度高并且成本低，干扰少，具有良好的选择性，可用 于实际样品的检测，为实际样品中酚酸类物质的检测提供了新的思路和技术。
[0025]下面结合具体实施例对本发明进行详细描述。本发明的保护范围并不以具体实施 方式为限，而是由权利要求加以限定。
【附图说明】
[0026]图1(A)为石墨相碳化氮纳米片的XRD图；图1 (B)为石墨相碳化氮纳米片的IR图；图 1(C)为石墨相碳化氮纳米片的TEM图。
[0027] 图2为GR-C00H/CS修饰电极电极(a)、PED0T/g-C3N4/CS修饰电极(b)、玻碳电极(c)、 石墨相碳化氮-壳聚糖修饰电极(d)的循环伏安曲线。
[0028]图3为石墨相碳化氮-壳聚糖修饰电极(a)、玻碳电极(b)、PED0T/g_C3N4/CS修饰电 极(c)、GR-C00H/CS修饰电极电极(d)的交流阻抗曲线。
[0029] 图4为石墨相碳化氮-壳聚糖修饰电极在不同缓冲溶液中的差分脉冲伏安图，其中 (a)为pH为7 ? 0的PBS缓冲溶液，（b) pH为4 ? 5的ABS缓冲溶液。
[0030] 图5(A)为石墨相碳化氮-壳聚糖修饰电极随扫速变化下的循环伏安曲线，扫速分 别为 20(a)、40(b)、60(c)、80(d)、100(e)、150(f)、200(g)、250(h)mV/s。图 5(B)为不同扫速 与响应电流之间的关系，由图可见两者之间呈依次线性关系。
[0031] 图6(A)为石墨相碳化氮-壳聚糖修饰电极在不同pH值的ABS缓冲溶液中的差分脉 冲伏安图，其中（a)pH为2.5，（b)pH为3.5，（c)pH为4.5，（d)pH为5.5，（e)pH为6.5，（f)pH为 7.5，（g)pH为8.5;图6(B)为石墨相碳化氮-壳聚糖修饰电极的响应电流随ABS缓冲溶液变化 的曲线图。
[0032] 图7(A)为石墨相碳化氮-壳聚糖修饰电极作为工作电极检测原儿茶酸的差分脉冲 伏安图，其中原儿茶酸浓度分别为〇yg/mL(a)、liig/mL(b)、2yg/mL(c)、3yg/mL(d)、4yg/mL (e)、5yg/mL(f)、10iig/mL(g)、15iig/mL(h)、20iig/mL(i);图7(B)为石墨相碳化氮-壳聚糖修 饰电极作为工作电极检测原儿茶酸的响应电流随原儿茶酸浓度的变化曲线。
【具体实施方式】
[0033] 实施例1
[0034] (1)石墨相碳化氮纳米片(g-C3N4)溶液的制备
[0035]直接将4g的三聚氰胺在520°C的马弗炉中焙烧4.0h，冷却后研磨得到g-C3N4粉末， 称取0. lg的g-C3N4粉末溶于10mL水溶液中，用水稀释至lmg/mL，超声10h，通过液相剥离制得 g-C3N4纳米片溶液。
[0036] (2)石墨相碳化氮-壳聚糖修饰电极的制备
[0037] 玻碳电极(GCE)依次用0.3和0.05M1的a-Al203抛光至呈镜面，每次抛光后先洗去表 面污物，再用无水乙醇超声5min，最后用蒸馏水洗净，重复三次，最后于室温下自然晾干;取 步骤（1)中制备的g_C3N4溶液超声使其形成均匀分散的悬浊液，用移液枪移取4yL g-C3N4溶 液滴涂在洁净、干燥的GCE表面，于室温下晾干，再移取5yL lwt%壳聚糖溶液(溶剂为乙酸） 滴涂在GCE表面，室温晾干，即制得石墨相碳化氮-壳聚糖修饰电极。
[0038] 如附图1 (A)、图1 (B)、图1 (C)所示，通过XRD、近红外吸收光谱、透射电镜(TEM)，对 步骤（1)中制备的g-C3N4纳米片分别进行表征。在TEM表征中可以看出，g-C3N4是一种具有层 状结构的二维材料。XRD图中可见20 = 27.5°时，g-C3N4有一个特征峰，表明该材料成功合成。 IR表明，C-N之间以共价键相连，形成sp 2杂化轨道。
[0039] 实施例2
[0040]采用循环伏安法(CV)分别以石墨相碳化氮-壳聚糖修饰电极(g_C3N4/CS修饰电 极）、玻碳电极、PED0T/g-C3N4/CS修饰电极以及GR-C00H/CS修饰电极为工作电极，其中PED0T 由ED0T和PSS制备而得，ED0T和PSS均从上海笛柏化学品有限公司购得，并通过电化学聚合 法修饰到实施例1中制备的g_C 3N4/CS修饰电极表面制得PED0T/g-C3N4/CS修饰电极;羧基化 石墨稀从南京先丰纳米材料科技有限公司直接购买，试验中将5yL lmg/mL的羧基化石墨稀 水溶液和壳聚糖乙酸溶液分别滴涂到玻碳电极表面制得GR-C00H/CS修饰电极。
[0041 ] 在含有0 ? lmo 1/L KC1的lmmo 1/L[Fe(CN)6]3V4- (1:1)的混合水溶液中扫描循环伏 安曲线，电位扫描范围为-0.2~0.6V，扫描速率为100mV/s，如图2所示，g-C3N4具有良好的导 电性，相对于其他电极，用其修饰的g-C 3N4/CS修饰电极会产生了很高的响应电流，且显示出 一对良好的氧化还原峰，这表明g_C3N4/CS修饰电极已经成功制备。
[0042] 实施例3
[0043] 采用电化学阻抗谱法(El S)分别以g-C3N4/CS修饰电极、玻碳电极、PED0T/g-C3N4/ CS修饰电极以及GR-C00H/CS修饰电极为工作电极，在含有0.1mol/L KC1的5mmol/L[Fe (CN) 6] 3V411:1)溶液中扫描各电极的阻抗值，起始电位为0.2V，扫描速率为100mV/S，频率 范围为1~100000Hz，如图3所示，由于g-C 3N4具有独特的二维层状结构，能够提高电极的导 电性，促进溶液和电极界面之间的电子转移，因而g_C3N 4/CS修饰电极的界面电子转移电阻 很小，与之相比，GR-C00H在一定程度上抑制了 [Fe(CN)6]3+氧化还原探针与电极界面之间 的电子转移，所以GR-C00H/CS修饰电极的界电阻力增大。
[0044] 实施例4
[0045]采用实施例1中制备的g_C3N4/CS修饰电极，饱和甘汞电极用作参比电极、Pt丝电极 用作对电极，分别以pH值为4.5的ABS和pH值为7.0的PBS为电解液，差分脉冲伏安扫描的电 势扫描范围为0~0.7V，振幅为50mV，脉冲宽度为50ms;进行差分脉冲伏安扫描，差分脉冲伏 安图如图4所示。图4为石墨相碳化氮-壳聚糖修饰电极在不同缓冲溶液中的差分脉冲伏安 图，其中（a)为pH为7.0的PBS缓冲溶液，（b) pH为4.5的ABS缓冲溶液。
[0046] 实施例5
[0047]采用实施例1中制备的g_C3N4/CS修饰电极，饱和甘汞电极用作参比电极、Pt丝电极 用作对电极，以含有l〇yg/mL PCA的pH值为4.5的ABS为电解液，差分循环伏安法扫描的电势 扫描范围为0~0.7V，控制扫速分别为20、40、60、80、100、150、200、25011^/8，得到的循环伏 安曲线，如图5所示。检测g-C 3N4/CS修饰电极在不同扫速下对PCA的响应电流，实验结果表 明，修饰电极的响应电流与扫速的一次方成正比，即在电极表面发生了表面吸附作用。
[0048] 实施例6
[0049] (1)配制标准溶液:取原儿茶酸加入pH值为4.5的ABS缓冲溶液中溶解，配制不同已 知原儿茶酸浓度的标准溶液;其中原儿茶酸标准溶液浓度为0-20yg/mL;
[0050] (2)建立检测原儿茶酸浓度的标准曲线:采用石墨相碳化氮-壳聚糖修饰电极为工 作电极、饱和甘汞电极用作参比电极、Pt丝电极用作对电极，以步骤（1)中配制的原儿茶酸 标准溶液为电解液，差分脉冲伏安扫描的电势扫描范围为〇~〇. 7V，振幅为50mV，脉冲宽度 为50ms，进行差分脉冲伏安扫描，记录响应电流I，将所述的响应电流I与原儿茶酸标准溶液 浓度c绘制I-c工作曲线，或采用线性回归法得到I-c线性回归方程，I-c线性回归方程为I (10- 6A) =0.24189c(yg/mL)-0.05166，相关系数为0.99967;建立检测原儿茶酸浓度的标准 曲线其线性范围为0-20yg/mL，检测限为0 ? 500yg/mL(S/N=3);
[0051] (3)检测待测样品中原儿茶酸的浓度：取适量的待测样品加入ABS缓冲溶液中溶 解、稀释，稀释后混合液中原儿茶酸的浓度在〇-2〇 yg/mL范围内，按照与步骤(2)相同的方法 检测响应电流I，根据步骤(2)中得到的标准曲线，计算出待测样品中原儿茶酸的含量。
[0052] DPV测试中，PCA浓度为Oyg/mL时，响应电流为0A。
[0053] DPV测试中，PCA浓度为lyg/mL时，响应电流为2.318 X 10-7A。
[0054] 0?￥测试中，？0六浓度为2邱/11〇寸，响应电流为4.272\10-7八。
[0055] DPV测试中，PCA浓度为3yg/mL时，响应电流为6.597 X 10-7A。
[0056] DPV测试中，PCA浓度为4yg/mL时，响应电流为8.415X10-7A。
[0057] DPV测试中，PCA浓度为5yg/mL时，响应电流为1.122X 10-6A。
[0058] DPV测试中，PCA浓度为10yg/mL时，响应电流为2.406 X 10-6A。
[0059] DPV测试中，PCA浓度为15yg/mL时，响应电流为3 ? 546 X 10-6A。
[0060] DPV测试中，PCA浓度为20yg/mL时，响应电流为4.814 X 10-6A。
[0061] 根据以上数据，PCA浓度与响应电流之间的线性关系为：
[0062] I (10-6A) =0 ? 24189C(μg/ml )-0 ? 05166(R = 0 ? 99967)。
[0063] 实施例7
[0064]采用实施例6步骤（1)相同的方法制备5mL 1 Oyg/mL的原儿茶酸标准溶液，并向其 中依次加入50yL lyg/mL山奈酚、苯酚、2，4-二氯苯酚、2，4，6-三氯苯酚、槲皮素、绿原酸等 干扰物质(每100s加入一种物质），利用恒电位i-T曲线法分别对溶液进行检测。
[0065] 发现当干扰物与被测物的结构越相近，干扰越强，结果表明，该修饰电极对PCA的 选择性较强，抗干扰能力强。
[0066] 表1石墨相碳化氮-壳聚糖修饰电极对原儿茶酸检测的抗干扰能力
【主权项】
1. 一种石墨相碳化氮-壳聚糖修饰电极的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步 骤： (1) 石墨相碳化氮纳米片溶液的制备 将三聚氰胺在520°c的马弗炉中焙烧4小时，冷却后研磨得到石墨相碳化氮粉末;称取 一定量的石墨相碳化氮粉末溶于水溶液中，制备lmg/mL的混合液，超声、液相剥离制得g-C3N4纳米片溶液； (2) 石墨相碳化氮-壳聚糖修饰电极的制备 将玻碳电极抛光至呈镜面，然后超声洗涤、干燥;取4yL步骤（1)中制备的石墨相碳化氮 纳米片溶液超声分散，滴涂在玻碳电极表面，干燥;再将5yL lwt%壳聚糖乙酸溶液滴涂在 玻碳电极表面，干燥，即制得石墨相碳化氮-壳聚糖修饰电极。2. 根据权利要求1所述的一种石墨相碳化氮-壳聚糖修饰电极的制备方法，其特征在 于，所述步骤(1)中石墨相碳化氮纳米片溶液浓度为lmg/mL。3. 根据权利要求1所述的一种石墨相碳化氮-壳聚糖修饰电极的制备方法，其特征在 于，所述方法步骤(2)中，玻碳电极依次用0.3和0.05μπι的α-Α1 203抛光至呈镜面，再用无水乙 醇超声5min，最后用蒸馏水洗净，重复三次，晾干;取步骤(1)中制备的石墨相碳化氮纳米片 溶液超声分散，取4yL滴涂在玻碳电极表面，晾干;再取5yL壳聚糖乙酸溶液滴涂在玻碳电极 表面，晾干，即制得石墨相碳化氮-壳聚糖修饰电极。4. 一种由权利要求1-3任意一项所述的制备方法制备的一种石墨相碳化氮-壳聚糖修 饰电极。5. 权利要求4所述的一种石墨相碳化氮-壳聚糖修饰电极作为工作电极检测原儿茶酸 的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤： (1) 配制标准溶液:取原儿茶酸加入ABS缓冲溶液中溶解，配制不同已知原儿茶酸浓度 的标准溶液;其中原儿茶酸标准溶液浓度为〇_2〇yg/mL; (2) 建立检测原儿茶酸浓度的标准曲线:采用石墨相碳化氮-壳聚糖修饰电极为工作电 极、饱和甘汞电极用作参比电极、Pt丝电极用作对电极，以步骤（1)中配制的原儿茶酸标准 溶液为电解液，进行差分脉冲伏安扫描，记录响应电流I，将所述的响应电流I与原儿茶酸标 准溶液浓度C绘制Ι-C工作曲线，或采用线性回归法得到Ι-C线性回归方程，建立检测原儿茶 酸浓度的标准曲线； (3) 检测待测样品中原儿茶酸的浓度:取适量的待测样品加入ABS缓冲溶液中溶解、稀 释，稀释后混合液中原儿茶酸的浓度在0-20yg/mL范围内，按照与步骤(2)相同的方法检测 响应电流I，根据步骤(2)中得到的标准曲线，计算出待测样品中原儿茶酸的含量。6. 根据权利要求5所述的一种石墨相碳化氮-壳聚糖修饰电极作为工作电极检测原儿 茶酸的方法，其特征在于，所述方法中，ABS缓冲溶液的pH值为4.5。7. 根据权利要求5所述的一种石墨相碳化氮-壳聚糖修饰电极作为工作电极检测原儿 茶酸的方法，其特征在于，所述方法中，差分脉冲伏安扫描的电势扫描范围为0~0.7V，振幅 为50mV，脉冲宽度为50ms。8. 根据权利要求5所述的一种石墨相碳化氮-壳聚糖修饰电极作为工作电极检测原儿 茶酸的方法，其特征在于，所述检测方法，其线性范围为0-20yg/mL，检测限为0.500yg/mL。
【文档编号】G01N27/48GK106053564SQ201610334902
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年5月18日
【发明人】杨小弟, 景丽君, 李彩红
【申请人】南京师范大学